陳志樂，楊靜思

(中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

船舶系纜力是碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系船柱選型的重要條件，風(fēng)、流、浪為船舶系纜力主要控制因素，國內(nèi)外碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范中船舶系纜力的計(jì)算方法有所不同。伴隨著工程行業(yè)走向海外的步伐，設(shè)計(jì)人員也需要掌握相應(yīng)的國際規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。目前對(duì)于船舶風(fēng)荷載研究對(duì)比大多集中于中英規(guī)范[1-2]，鮮有對(duì)西班牙規(guī)范的對(duì)比。為進(jìn)一步比較各規(guī)范船舶系纜力計(jì)算方法及結(jié)果的差異，本文選取了碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常用的國內(nèi)外規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，即：JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》[3](簡(jiǎn)稱JTS)、西班牙ROM0.2-90海事及海港工程設(shè)計(jì)規(guī)范[4](簡(jiǎn)稱ROM)、石油公司國際海事論壇OCIMF(MEG4 2018)系泊設(shè)備指南[5](簡(jiǎn)稱OCIMF)、英國BS 6349-1-2：2016規(guī)范[6](簡(jiǎn)稱BS 6349)，就船舶所受風(fēng)荷載的計(jì)算公式、輸入變量、適應(yīng)范圍的異同點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，并以30萬噸油船為例進(jìn)行了風(fēng)荷載計(jì)算和結(jié)果對(duì)比分析。

1 船舶所受風(fēng)荷載計(jì)算公式

1.1 JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》

根據(jù)JTS，作用于船舶上的計(jì)算風(fēng)壓力垂直于碼頭前沿線的橫向分力和平行于碼頭前沿線的縱向分力可按下列公式計(jì)算：

(1)

(2)

式中：Fxw、Fyw分別為作用在船舶上的計(jì)算風(fēng)力的橫向和縱向分力(kN)；Axw、Ayw分別為船體水面以上橫向和縱向受風(fēng)面積(m2)；vx、vy分別為設(shè)計(jì)風(fēng)速的橫向和縱向分量(m/s)，采用離地10 m高重現(xiàn)期50 a 10 min平均最大風(fēng)速；ζ1為風(fēng)壓不均勻折減系數(shù)；ζ2為風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)。

1.2 西班牙ROM0.2-90海事及海港工程設(shè)計(jì)規(guī)范

根據(jù)ROM，作用于船舶上的風(fēng)荷載可按下列公式計(jì)算：

(3)

(4)

FTV=RVsinφ

(5)

FLV=RVcosφ

(6)

式中：RV為作用在船舶上的總風(fēng)力(kN)；FTV、FLV為作用在船舶上的橫向分力、縱向分力；φ為總風(fēng)力與船舶縱軸線的夾角；ρ為空氣密度，取1.225 kg/m3；CV為形狀系數(shù)，一般取1.0～1.3，缺少準(zhǔn)確數(shù)據(jù)時(shí)，可以直接取1.3；vV為設(shè)計(jì)風(fēng)速，取海面上高10 m處的平均風(fēng)速，船長(zhǎng)大于25 m時(shí)采用60 s平均風(fēng)速，船長(zhǎng)小于25 m時(shí)采用15 s平均風(fēng)速；α為風(fēng)向與船舶縱軸線(船首至船尾)的夾角(°)；φ為風(fēng)荷載合力與船舶縱軸線的夾角；AL為暴露在風(fēng)中的縱向投影面積(m2)；AT為暴露在風(fēng)中的船舶橫向投影面積(m2)。投影面積按下列公式計(jì)算：

AT=B·(G+hT)

(7)

AL=Lpp·(G+hL)

(8)

式中：B為船舶的型寬；G為船舶吃水；Lpp為船舶垂線間的長(zhǎng)度；hT、hL分別為船舶甲板以上超大結(jié)構(gòu)的橫向、縱向投影平均高度。

1.3 石油公司國際海事論壇OCIMF(MEG4 2018)系泊設(shè)備指南

根據(jù)OCIMF，船舶所受風(fēng)荷載的橫向和縱向風(fēng)力可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(9)

(10)

式中：CXW、CYW為風(fēng)荷載縱向系數(shù)、風(fēng)荷載橫向系數(shù)，這幾項(xiàng)系數(shù)均由查圖表所得；ρA為空氣密度，取1.28 kg/m3；AL為水面以上縱向壓載投影面積；AT為水面以上橫向壓載投影面積；LBP為船舶首柱到尾柱的間距；vw為海面以上10 m處的30 s平均風(fēng)速。之所以取30 s，是由系泊系統(tǒng)對(duì)風(fēng)速變化做出反應(yīng)所需的時(shí)長(zhǎng)決定，30 s對(duì)應(yīng)的是壓載巨型油船，小點(diǎn)的船反應(yīng)更快，滿載巨型油船則可能需要60 s。然而，對(duì)所有船型和不同壓載情況來說，30 s可以取做平均值。如有其他風(fēng)時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速，可以根據(jù)OCIMF的風(fēng)時(shí)轉(zhuǎn)換系數(shù)圖表查詢轉(zhuǎn)換。

1.4 英國BS 6349-1-2：2016規(guī)范

根據(jù)BS 6349，作用在船舶上的風(fēng)荷載FTW可按下式計(jì)算：

(11)

(12)

(13)

2 計(jì)算公式對(duì)比

計(jì)算公式見表1。

表1 計(jì)算公式

對(duì)比4組船舶所受風(fēng)荷載的計(jì)算公式，所有計(jì)算公式都包含船舶橫縱向受風(fēng)面積、空氣密度、風(fēng)壓力系數(shù)等因素，但各個(gè)因素的取值和算法存在差異，各規(guī)范手冊(cè)公式存在的差異主要有：

1)風(fēng)壓修正系數(shù)。JTS中風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)考慮船舶水面以上高度的變化，對(duì)船舶在不同裝載情況下的風(fēng)荷載進(jìn)行修正。風(fēng)壓不均勻折減系數(shù)考慮水面以上最大輪廓尺寸的區(qū)別，對(duì)不同噸級(jí)船舶所受風(fēng)荷載進(jìn)行修正。ROM、OCIMF、BS 6349將風(fēng)速、船舶受風(fēng)面積變量之外的變化因素統(tǒng)一到風(fēng)壓修正系數(shù)，該修正系數(shù)綜合考慮了風(fēng)向與船舶縱橫軸的夾角變化、船舶裝載情況變化、船型尺寸變化、船舶類型變化等因素需要的修正，且OCIMF還考慮了船頭形狀(傳統(tǒng)型或橢圓形)不同引起的變化。

2)公式適用的船舶類型及尺寸范圍。不同公式適用的船舶類型及船舶尺寸不同，JTS和ROM可以計(jì)算多種類型、不同尺寸的船舶。BS 6349公式適用的船舶類型有小型油船、大型油船、典型集裝箱船舶。OCIMF公式適用的船舶類型有大型油船(1.6萬～50萬t)和天然氣船(7.5萬～26.6萬t)。

3)空氣密度。因?yàn)轱L(fēng)荷載計(jì)算必然涉及空氣密度，ROM、OCIMF、BS 6349的公式中均有空氣密度變量。除了英標(biāo)給出的0～30 ℃范圍內(nèi)的變化空氣密度，其他均為給定溫度下的空氣密度，JTS采用的是絕對(duì)干燥空氣密度，且將空氣密度提前代入公式進(jìn)行了計(jì)算簡(jiǎn)化，公式中未體現(xiàn)空氣密度變量。

4)風(fēng)速。各國規(guī)范對(duì)風(fēng)速的選取略有差異?！陡劭诠こ毯奢d規(guī)范》采用的是離碼頭附近地面高10 m處的10 min平均年最大風(fēng)速，重現(xiàn)期50 a。ROM分兩種情況，船長(zhǎng)大于25 m采用的是60 s平均風(fēng)速；船長(zhǎng)小于25 m的采用的是15 s平均風(fēng)速。BS 6349采用的是海面以上高10 m處的60 s平均風(fēng)速，重現(xiàn)期50 a。OCIMF采用的是海面以上高10 m處的30 s平均風(fēng)速。

5)船舶受風(fēng)面積。JTS分別給出了保證率為50%及75%、壓載及滿載時(shí)不同類型及尺寸船舶組合下的船舶橫縱向受風(fēng)面積；ROM、OCIMF均按照船舶的橫縱向投影面積進(jìn)行計(jì)算，BS 6349也采用船舶投影面積，但在計(jì)算橫向風(fēng)力時(shí)采用的縱向投影面積作為輸入?yún)?shù)進(jìn)行計(jì)算。需要注意的是，船舶受風(fēng)面積不僅包括船舶干舷部分的區(qū)域，還包括甲板上的構(gòu)筑物，堆箱等部分區(qū)域。

6)橫擺力矩。ROM和OCIMF考慮了風(fēng)作用下船舶繞中心垂直軸的橫擺力矩，JTS和BS 6349未考慮。

3 工程案例

3.1 計(jì)算條件

由各規(guī)范船舶適用范圍的比對(duì)可知，4種公式均適用的范圍是15萬～30萬噸級(jí)的大型油船。目前國內(nèi)原油碼頭大部分為30萬噸級(jí)，故選取30萬噸級(jí)油船為典型船型進(jìn)行案例對(duì)比分析，分別對(duì)其在滿載、壓載工況下的風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算。30萬噸級(jí)油船船型參數(shù)為：總長(zhǎng)L=334.0 m，型寬B=60.0 m，型深H=31.2 m，滿載吃水T=22.5 m。

船舶受風(fēng)面積一般由船舶廠家提供，該算例中按照J(rèn)TS進(jìn)行取值，見表2。

表2 船舶受風(fēng)面積

由于各規(guī)范中離地10 m處最大平均風(fēng)速對(duì)應(yīng)的歷時(shí)不同，該算例選取9級(jí)風(fēng)最大風(fēng)速24.4 m/s作為JTS的設(shè)計(jì)風(fēng)速，其他規(guī)范按照風(fēng)時(shí)修正系數(shù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)換算，風(fēng)速換算結(jié)果見表3[7]。

表3 按歷時(shí)進(jìn)行風(fēng)速換算

3.2 船舶風(fēng)荷載比較

各規(guī)范風(fēng)向角坐標(biāo)系不統(tǒng)一：JTS未考慮風(fēng)向角變量，ROM和BS 6349都以船舶正迎面為0°，OCIMF則以船舶正迎面為180°。本文參考ROM和BS 6349風(fēng)向角取法，即取船舶縱軸線(從船頭指向船尾方向)與風(fēng)向的夾角為風(fēng)向角，船舶正迎面為0°，風(fēng)向角以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

30萬噸級(jí)油船的壓載、滿載工況下的風(fēng)荷載絕對(duì)值計(jì)算結(jié)果見圖1。各規(guī)范的結(jié)果差異如下：1)從總風(fēng)荷載來看，在壓載和滿載狀態(tài)下，均以船舶受正向橫風(fēng)時(shí)為控制工況，且計(jì)算值ROM依次大于OCIMF、BS 6349、JTS。ROM最大風(fēng)荷載計(jì)算值達(dá)JTS的1.69倍。2)JTS與ROM的橫向風(fēng)力和縱向風(fēng)力計(jì)算值是關(guān)于90°左右對(duì)稱的，即兩風(fēng)向角互補(bǔ)時(shí)，風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果相同。OCIMF和BS 6349考慮了船首船尾的差異性，兩者隨風(fēng)向角變化的計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)表現(xiàn)出高度的相似性。至于兩者絕對(duì)值存在的差異，BS 6349中油船風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)推薦參照OCIMF，BS 6349計(jì)算公式保留可用于初步評(píng)估。3)從壓載工況看，船舶橫向風(fēng)力中，當(dāng)風(fēng)向角為20°～55°時(shí)，OCIMF的計(jì)算值依次大于ROM、BS 6349、JTS。其他風(fēng)向角范圍內(nèi)與總風(fēng)荷載的計(jì)算值排序相同，即ROM依次大于OCIMF、BS 6349、JTS。OCIMF、BS 6349考慮風(fēng)入射角度互補(bǔ)時(shí)，認(rèn)為船首較船尾受風(fēng)荷載更大。壓載工況下的縱向風(fēng)力計(jì)算，ROM結(jié)果明顯大于另外三者，且另外三者結(jié)果很接近。4)滿載工況下，船舶橫向風(fēng)力中，ROM的計(jì)算值依次大于OCIMF、BS 6349、JTS，ROM可達(dá)JTS最大橫風(fēng)計(jì)算值的2.1倍。對(duì)于滿載工況下縱向風(fēng)力，JTS明顯小于另外三者。此外，OCIMF和BS 6349認(rèn)為船舶受正向橫風(fēng)時(shí)，船舶的縱向風(fēng)力也不為0。

圖1 風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

1)各國的風(fēng)荷載計(jì)算思路不同，且公式適用的船舶類型和尺寸也不同，英標(biāo)公式適合的船舶類型有小型油船、大型油船、典型集裝箱船舶。OCIMF手冊(cè)公式適合的船舶類型為一定噸級(jí)的大型油船和天然氣船。在計(jì)算或?qū)Ρ确治鰰r(shí)應(yīng)注意適應(yīng)范圍的不同。

2)JTS與ROM未考慮船首船尾的差異性，而BS 6349和OCIMF考慮了差異性，計(jì)算結(jié)果在船舶首尾差異方面考慮得更準(zhǔn)確。

3)各國規(guī)范在計(jì)算船舶風(fēng)荷載時(shí)，在風(fēng)速選取、船舶受風(fēng)面積、風(fēng)壓修正系數(shù)方面均存在一定差異。

4)根據(jù)30萬噸級(jí)油船實(shí)例計(jì)算結(jié)果，比較控制工況下即風(fēng)向角為90°時(shí)的風(fēng)荷載，可知ROM最大，OCIMF次之，BS 6349第三，JTS最小。ROM的計(jì)算結(jié)果最保守，其最大風(fēng)荷載是JTS計(jì)算值的1.69倍，OCIMF是JTS的1.58倍。因此，在海外項(xiàng)目系纜力計(jì)算時(shí)應(yīng)慎重進(jìn)行規(guī)范的選擇和應(yīng)用。